Jedna část vakuové nádoby (plazmový obkladový materiál) fúzního experimentálního zařízení a budoucího fúzního reaktoru přichází do kontaktu s plazmatem.Když ionty plazmy vstoupí do materiálu, tyto částice se stanou neutrálním atomem a zůstanou uvnitř materiálu.Při pohledu z atomů, které tvoří materiál, se plazmatické ionty, které vstoupily, stanou atomy nečistot.Atomy nečistot pomalu migrují v meziprostorech mezi atomy, které tvoří materiál, a nakonec difundují dovnitř materiálu.Na druhé straně se některé atomy nečistot vracejí na povrch a jsou opět emitovány do plazmatu.Pro stabilní zadržení fúzního plazmatu se stává extrémně důležitá rovnováha mezi pronikáním plazmových iontů do materiálu a reemisí atomů nečistot po migraci z nitra materiálu.

Cesta migrace atomů nečistot uvnitř materiálů s ideální krystalovou strukturou byla dobře objasněna v mnoha výzkumech.Skutečné materiály však mají polykrystalické struktury a migrační cesty v oblastech hranic zrn nebyly dosud objasněny.Dále, v materiálu, který se nepřetržitě dotýká plazmatu, je krystalová struktura porušena v důsledku nadměrného pronikání plazmových iontů.Migrační cesty atomů nečistot uvnitř materiálu s neuspořádanou krystalovou strukturou nebyly dostatečně prozkoumány.

Výzkumné skupině profesora Atsushi Ito z National Institutes of Natural Sciences NIFS se podařilo vyvinout metodu pro automatické a rychlé vyhledávání migračních cest v materiálech s libovolnou geometrií atomů prostřednictvím molekulární dynamiky a paralelních výpočtů v superpočítači.Nejprve vyjmou velké množství malých domén, které pokrývají celý materiál.

Uvnitř každé malé domény počítají migrační cesty atomů nečistot prostřednictvím molekulární dynamiky.Tyto výpočty malých domén budou dokončeny v krátké době, protože velikost domény je malá a počet atomů, které je třeba zpracovat, není mnoho.Protože výpočty v každé malé doméně mohou být prováděny nezávisle, výpočty jsou prováděny paralelně pomocí superpočítače NIFS, plazmového simulátoru a superpočítačového systému HELIOS v Centru výpočetní simulace Mezinárodního střediska pro výzkum energie z jaderné syntézy (IFERC-CSC), Aomori, Japonsko.Na Plasma Simulator, protože je možné použít 70 000 jader CPU, lze provádět simultánní výpočty přes 70 000 domén.Kombinací všech výsledků výpočtů z malých domén jsou získány migrační cesty přes celý materiál.

Taková metoda paralelizace superpočítače se liší od té, která se často používá, a nazývá se paralelizace typu MPMD3).Na NIFS byla navržena simulační metoda, která efektivně využívá paralelizaci typu MPMD.Spojením paralelizace s nedávnými myšlenkami týkajícími se automatizace dospěli k vysokorychlostní metodě automatického vyhledávání migrační cesty.

Využitím této metody je možné snadno hledat migrační cestu atomů nečistot pro skutečné materiály, které mají hranice krystalových zrn, nebo dokonce materiály, jejichž krystalová struktura je narušena dlouhodobým kontaktem s plazmatem.Zkoumáním chování kolektivní migrace atomů nečistot uvnitř materiálu na základě informací o této migrační cestě můžeme prohloubit naše znalosti o rovnováze částic uvnitř plazmatu a materiálu.Očekává se tedy zlepšení zadržování plazmy.

Tyto výsledky byly prezentovány v květnu 2016 na 22. mezinárodní konferenci o plazmové povrchové interakci (PSI 22) a budou publikovány v časopise Nuclear Materials and Energy.